Resumen de Desarrollo de sistemas de almacenamiento de energía térmica a gran escala: Contribución a nuevas soluciones de almacenamiento y recuperación de energía a distintos niveles temperatura
- español
Actualmente nos encontramos en una transición del sistema energético mundial, que busca sustituir las fuentes de producción convencionales (gas, petróleo, carbón) por una generación 100% renovable. Apoyado por la reducción de emisiones de gases de efecto invernadero con el objetivo de mitigar los efectos del cambio climático, el uso predominante de renovables se perfila como factor clave en términos de desarrollo de mercado, independencia energética y sostenibilidad. En los últimos años, los países miembros de la Convención Marco de las Naciones Unidas sobre el cambio climático acordaron mantener el aumento de la temperatura media global por debajo de los 2°C por encima de los niveles preindustriales, y de perseguir esfuerzos para limitar el aumento de la temperatura a 1,5°C (Acuerdo de París, 2015).
El recurso renovable tiene una naturaleza estocástica e intermitente, que puede afectar negativamente a la calidad de la energía y a la estabilidad de la red eléctrica. El almacenamiento de energía, que permita vencer el desfase tanto diario como estacional, que existe entre la disponibilidad del recurso renovable y la demanda energética, es el componente necesario para mejorar la flexibilidad del sistema energético basado en generación 100% renovable. El desarrollo de nuevos sistemas de almacenamiento de energía a gran escala de alta eficiencia, de bajo coste, que utilicen materiales baratos y con bajo impacto ambiental, es necesario para poder aprovechar el recurso renovable.
Esta tesis aborda el estudio de diferentes tecnologías de almacenamiento de energía térmica a gran escala, con capacidad de impacto, a diferentes niveles de temperatura y desarrollo; con el objetivo de contribuir en el grado de avance de nuevas soluciones de almacenamiento de energía de alta eficiencia y con un bajo impacto ambiental, que puedan integrarse en grandes plantas de potencia, facilitando la integración de renovables; desde la fase de planteamiento de la idea preliminar, al desarrollo del concepto a nivel de modelos, y con soporte experimental. El estudio se centra en tres prometedoras tecnologías de almacenamiento de energía térmica según el nivel de temperatura. La contribución a la investigación se divide en tres capítulos, cada uno dedicado a cada nivel de temperatura.
El sistema de almacenamiento de energía electrotérmica usando ciclos transcríticos de dióxido de carbono (CO2) como tecnología de almacenamiento de energía térmica de baja temperatura, dentro de los sistemas de energía térmica, se encuentra en un estadio inicial en los niveles de desarrollo de la tecnología. Se desarrolla la validación tecno-económica del sistema de almacenamiento de energía a baja temperatura, y como novedad se incorpora un estudio sobre la novedosa integración con el almacenamiento geológico de CO2. El CO2 capturado en una central eléctrica o instalación industrial se utiliza como fluido de trabajo en el ciclo termodinámico propuesto para almacenar energía eléctrica de fuentes renovables en forma de energía térmica y CO2 en formaciones subterráneas, aprovechando las altas presiones que se utilizan en el ciclo transcrítico de CO2, con una eficiencia de ida y vuelta en un rango del 40-50%, dependiendo de las condiciones de operación. Se extiende el concepto y se analizan los diferentes modos de operación, realizando un dimensionamiento de la planta. Además, se presenta un análisis temporal del comportamiento. El análisis económico preliminar muestra que la tecnología de almacenamiento es competitiva en comparación con otros sistemas de almacenamiento, en un rango de 70- 120 $/MWhe.
El sistema de almacenamiento de energía termoquímica basado en el hidróxido de calcio como tecnología de almacenamiento de energía térmica de media temperatura, se encuentra en fase de laboratorio en los niveles de desarrollo de la tecnología. Se trata de un sistema de almacenamiento de energía termoquímica basado en la reacción reversible de deshidratación/hidratación del hidróxido de calcio. Se desarrolla una validación tecnoeconómica del sistema de almacenamiento de energía a media temperatura con detalle. Como novedad, se discuten los retos tecnológicos del sistema, destacando la importancia de recuperar el calor latente de condensación del vapor generado en la reacción de deshidratación, que representa el 38% de la energía solar térmica que llega al reactor. Se analizan casos extremos en los que se recupera todo el calor latente y en los que este calor se cede al medio ambiente, y se proponen diferentes mecanismos de recuperación, como un ciclo Rankine de amoníaco o el almacenamiento de vapor a presión, mientras se mantiene el carácter independiente de las fases de carga y descarga. El análisis muestra que la tecnología puede ser la base de un almacenamiento de energía competitivo, que puede alcanzar una eficiencia térmica a eléctrica global del 40% y un precio competitivo en comparación con otros sistemas de almacenamiento, con un coste nivelado de la electricidad de unos 100 $/MWhe.
El sistema de almacenamiento de energía termoquímica basado en el calcium looping como tecnología de almacenamiento de energía térmica de alta temperatura se corresponde con el sistema más desarrollado entre los termoquímicos en los niveles de preparación tecnológica. El análisis tecno-económico realizado sitúa a la tecnología en una posición muy competitiva respecto a otros sistemas de almacenamiento térmico, con una eficiencia de conversión térmica a eléctrica que pueden alcanzar el 48% y un coste nivelado de la electricidad en torno a 100 MWhe. Como novedad, se presenta el diseño, desarrollo y ensayos de la campaña experimental de una planta piloto a escala de kW, la primera de este nivel para la tecnología del Calcium-Looping, de la que el autor fue actor principal. La campaña experimental sitúa a la tecnología en el estadio de desarrollo tecnológico de demostración en un entorno relevante, desarrollando las reacciones de calcinación y carbonatación en pocos segundos en un reactor de flujo arrastrado, en las condiciones de temperatura y presión del sistema de almacenamiento basado en Calcium-Looping, lo que permitiría la integración del sistema de almacenamiento en grandes centrales térmicas.
La estructura de la tesis es la siguiente. En el primer capítulo, dedicado a la introducción, se presentan los antecedentes y oportunidades de investigación detectadas, los objetivos que se establecen en la tesis en función de las oportunidades y se delimita el alcance del estudio, se analiza el estado del arte, se describe la metodología y el plan de investigación en función de los objetivos establecidos, y se muestran los resultados derivados de la tesis y la estructura que sigue el documento. Tras la introducción se exponen las contribuciones a la investigación, mediante, el análisis de las tecnologías de almacenamiento de energía a gran escala, para alta, media y baja temperatura. Abarca los capítulos 2 (almacenamiento en baja temperatura basado en ciclos de CO2 transcríticos), 3 (almacenamiento en media temperatura mediante la tecnología del hidróxido de calcio) y 4 (almacenamiento en alta temperatura mediante la tecnología del calcium looping). Por último, se dedica un capítulo a la discusión de los resultados, el trabajo futuro y las conclusiones de la investigación. Finalmente, en los anexos se recogen las publicaciones realizadas por el autor durante el desarrollo de esta tesis doctoral.
- English
Currently global energy system transition is in progress, with the aim of replacing conventional production sources (gas, oil, coal) with 100% renewable generation. Supported by the reduction of greenhouse gas emissions in order to mitigate the effects of climate change, the predominant use of renewables is emerging as a key factor in terms of market development, energy independence and sustainability. In recent years, the member countries of the United Nations Framework Convention on Climate Change agreed to keep the global average temperature increase below 2°C above pre-industrial levels, and to pursue efforts to limit the temperature increase to 1.5°C (Paris Agreement, 2015).
The renewable resource has a stochastic and intermittent nature, which can negatively affect power quality and grid stability. Energy storage, which allows overcoming both the daily and seasonal lag, which exists between the availability of the renewable resource and the energy demand, is the necessary component to improve the flexibility of the energy system based on 100% renewable generation. The development of new large-scale energy storage systems with high efficiency, low cost, using low-cost materials and with low environmental impact is necessary to take advantage of the renewable resource.
This thesis addresses the study of different large-scale thermal energy storage technologies, with impact capacity, at different levels of temperature and development; with the aim of contributing to the degree of advancement of new energy storage solutions with high efficiency and low environmental impact, which can be integrated into large power plants, facilitating the integration of renewables; from the preliminary idea phase, to the development of the concept at the model level, and with experimental support. The study focuses on three promising thermal energy storage technologies depending on the temperature level. The research contribution is divided into three chapters, each dedicated to each temperature level.
The electrothermal energy storage system using carbon dioxide (CO2) transcritical cycles as a low-temperature thermal energy storage technology, within thermal energy systems, is at an early stage in the technology development levels. The techno-economic validation of the low-temperature energy storage system is developed, and as a novelty, a study on the novel integration with CO2 geological storage is incorporated. CO2 captured in a power plant or industrial facility is used as working fluid in the proposed thermodynamic cycle to store electrical energy from renewable sources in the form of thermal energy and CO2 in underground geological formations, taking advantage of the high pressures used in the transcritical CO2 cycle, with a roundtrip efficiency in the range of 40-50%, depending on the operating conditions. The concept is extended, and the different operation modes are analysed, performing a sizing of the plant. In addition, a temporal analysis of the behaviour is presented. Preliminary economic analysis shows that the storage technology is competitive compared to other storage systems, in the range of 70-120 $/MWhe.
The thermochemical energy storage system based on calcium hydroxide as a medium temperature thermal energy storage technology is in the laboratory stage at the technology development levels. It is a thermochemical energy storage system based on the reversible dehydration/hydration reaction of calcium hydroxide. A technoeconomic validation of the medium temperature energy storage system is developed in detail. As a novelty, the technological challenges of the system are discussed, highlighting the importance of recovering the latent heat of condensation of the steam generated in the dehydration reaction, which represents 38% of the solar thermal energy reaching the reactor. Extreme cases are analysed in which all the latent heat is recovered and in which this heat is given up to the environment, and different recovery mechanisms are proposed, such as an ammonia Rankine cycle or pressurized steam storage, while maintaining the independent character of the charging and discharging phases. The analysis shows that the technology can be the basis of a competitive energy storage, which can achieve an overall thermal-to-electric efficiency of 40% and a competitive price compared to other storage systems, with a levelized cost of electricity of about 100 $/MWhe.
The thermochemical energy storage system based on calcium looping as a high-temperature thermal energy storage technology corresponds to the most developed system among thermochemicals at the technology readiness levels. The techno-economic analysis performed places the technology in a very competitive position with respect to other thermal storage systems, with a thermal to electrical conversion efficiency that can reach 48% and a levelized cost of electricity around 100 $/MWhe. As a novelty, the design, development and testing of the experimental campaign of a pilot plant at kW scale, the first of this level for the Calcium-Looping technology, of which the author was the main actor, is presented. The experimental campaign brings the technology to the stage of technological development of demonstration in a relevant environment, developing the calcination and carbonation reactions in a few seconds in an entrained flow reactor, at the temperature and pressure conditions of the Calcium-Looping based storage system, which would allow the integration of the storage system in large thermal power plants.
The structure of the thesis is as follows. The first chapter, dedicated to the introduction, presents the background and research opportunities detected, the objectives established in the thesis according to the opportunities and delimits the scope of the study, analyses the state of the art, describes the methodology and the research plan according to the established objectives, and shows the results derived from the thesis and the structure of the document. After the introduction, the contributions to the research are presented, through the analysis of largescale energy storage technologies for high, medium and low temperature. It covers chapters 2 (low temperature storage based on transcritical CO2 cycles), 3 (medium temperature storage using calcium hydroxide technology) and 4 (high temperature storage using calcium looping technology). Finally, a chapter is devoted to the discussion of the results, future work and conclusions of the research. Finally, the annexes contain the publications made by the author during the development of this doctoral thesis.
